變頻器在卷揚(yáng)機(jī)操控系統(tǒng)的應(yīng)用

　　變頻器在卷揚(yáng)機(jī)操控系統(tǒng)的應(yīng)用

　　在我國各類礦山中，卷揚(yáng)提升機(jī)普遍采用串電阻調(diào)速。這套裝置存在著很多缺陷，例如故障率高、維護(hù)費(fèi)用高、運(yùn)行效率低、制約生產(chǎn)發(fā)展等。為了提高生產(chǎn)裝備技術(shù)水平，提高生產(chǎn)能力，我公司研制開發(fā)了金礦月卷揚(yáng)機(jī)變頻操控系統(tǒng)。

　　一、原卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)簡介

　　原卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)主要由主軸裝置、減速機(jī)、繞線式電機(jī)、盤形閘、液壓站、深度指示器、天輪、配重、井架、電源柜、加速控制柜、動力制動柜、電阻柜等組成，如圖1所示。該系統(tǒng)在我國各礦區(qū)被普遍采用。

　　該系統(tǒng)的工作原理是通過改變電動機(jī)正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)罐籠上升與下降，而速度的改變則靠改變串入繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子的電阻來實(shí)現(xiàn)的。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在機(jī)械抱閘制動方面。該抱閘裝置控制方便，可靠性高，在長期使用中性能穩(wěn)定，并且操作簡單，便于系統(tǒng)連接。

　　這套系統(tǒng)的缺點(diǎn)也是明顯的，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)組成復(fù)雜，體積龐大、操作復(fù)雜、故障率較高。從實(shí)際系統(tǒng)中我們可以清楚地看到，各單元、各元件之間的連線達(dá)數(shù)百條;電阻器頻繁燒毀，電機(jī)銅頭、刷架、電刷等經(jīng)常出現(xiàn)故障等。另外，由于控制系統(tǒng)煩瑣，給檢修維護(hù)帶來很大困難，也是該系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一。

　　從系統(tǒng)運(yùn)行情況，我們不難看出，原卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)為有級變調(diào)速，動態(tài)速度變化不平穩(wěn)、調(diào)速范圍小，對罐難度很大，操作不易掌握，尤其是運(yùn)行不穩(wěn)增加了設(shè)備磨損。另一方面，當(dāng)系統(tǒng)低速運(yùn)行時，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)差功率完全轉(zhuǎn)化為熱量消耗掉。所以，該系統(tǒng)只是一種低效率、高消耗的調(diào)速裝置。

　　我們知道，對于交流電機(jī)調(diào)速來說，改變電源電壓、電源頻率或電機(jī)的極對數(shù)均可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。而對于原系統(tǒng)，電機(jī)極數(shù)和施加于定子側(cè)的電源頻率均不變，因此，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也不變，所謂調(diào)速，實(shí)際是通過串聯(lián)電阻改變定子繞組上的電壓，這就使電氣傳動的穩(wěn)態(tài)調(diào)速精度大大降低同時，由于串入電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的電阻阻值不能無級變化，所以無法實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。

　　我們還應(yīng)注意的一點(diǎn)是原系統(tǒng)即使在再生能量回饋狀態(tài)下仍然消耗大量的電網(wǎng)電能，例如，空罐上升時，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，所產(chǎn)生的再生電能全部消耗在電阻上，并且由于系統(tǒng)處于制動狀態(tài)，串入的電阻同樣消耗大量的電能。這就是該系統(tǒng)的致命缺點(diǎn)之一。

　　二、卷揚(yáng)機(jī)變頻操控系統(tǒng)簡介

　　變頻調(diào)速是目前交流異步電動機(jī)理想的調(diào)速方式，它模擬直流電機(jī)的調(diào)速方法，并考慮了電動機(jī)動態(tài)性能要求，具有無級調(diào)速、響應(yīng)迅速、運(yùn)行平穩(wěn)、控制靈活等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

　　然而，迄今為止，變頻器在冶金、礦山等行業(yè)的還沒有開拓出應(yīng)有的應(yīng)用，尤其是礦井卷揚(yáng)機(jī)提升設(shè)備的變頻改造，全國尚無成功范例。2001年，金蟾山金礦與歐瑞傳動有限公司合作，研制開發(fā)了“卷揚(yáng)機(jī)變頻操控系統(tǒng)”，用于本礦的新建礦井中。該系統(tǒng)的研發(fā)和投入使用。

　　“卷揚(yáng)機(jī)變頻操控系統(tǒng)”由變頻柜(包括變頻器、泄放單元、泄放電阻)、操控臺等組成，如圖2、圖3所示。整套系統(tǒng)體積小、重量輕、操作使用方便可靠，并且完全沿用礦山設(shè)備的操作習(xí)慣。事實(shí)上，單從系統(tǒng)外觀上看，新系統(tǒng)比原系統(tǒng)就有很大的**性：原系統(tǒng)共有四個電控柜或電阻柜和一個操作臺，而“卷揚(yáng)機(jī)變頻操控系統(tǒng)”只有一個變頻控制柜和一個操作臺。

　　泄放單元和泄放電阻的作用主要是泄放電機(jī)產(chǎn)生的再生能量。變頻系統(tǒng)本身帶有軟制動，為了安全起見，繼續(xù)應(yīng)用了原系統(tǒng)的液壓抱閘裝置，作為安全保障。

　　變頻調(diào)速器是通過改變電動機(jī)輸入電源的頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的，因此調(diào)速范圍很寬，可以達(dá)到0～400Hz。頻率調(diào)節(jié)精度為0.01Hz，基本上實(shí)現(xiàn)了無級調(diào)速。所以，采用變頻器后，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的軟啟動和平滑調(diào)速。并且，變頻器提高了輸入電源的功率因數(shù)，在基頻以下為恒轉(zhuǎn)矩輸出，輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化，因此具有很好的節(jié)電效果。

　　“卷揚(yáng)機(jī)變頻操控系統(tǒng)”的創(chuàng)新點(diǎn)之一就是在卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)中采用了泄放單元，該裝置包括開關(guān)電源、電壓采樣與處理電路、脈沖信號發(fā)生與觸發(fā)電路、保護(hù)電路、IGBT驅(qū)動電路及IGBT功率模塊等。裝置外設(shè)調(diào)節(jié)旋紐，可用來調(diào)節(jié)泄放的閥值電壓和泄放速度。裝置分別與變頻器和泄放電阻連接。其中泄放電阻的大小直接影響泄放速度。

　　“卷揚(yáng)機(jī)變頻操控系統(tǒng)”的另一技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)就是在變頻器內(nèi)部設(shè)置了“PLC”功能，從而可以靈活控制液壓抱閘裝置，使之完成放開、抱閘和適度抱閘等不同操作功能。此處，液壓抱閘裝置為原系統(tǒng)所用，其機(jī)械可靠性早已得到證實(shí)。

　　操作臺在外觀上保持了原來風(fēng)格，但內(nèi)部控制系統(tǒng)和外部指示均為全新設(shè)計。操作繼續(xù)沿用以前習(xí)慣，主令開關(guān)手柄改為無級調(diào)速手柄，用于動態(tài)調(diào)速。另外，加設(shè)了“緊急制動”按鈕和“非常制動”按鈕，以提高制動的可靠性。一般地，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動輸出異常信號，控制系統(tǒng)安全抱閘。如果自動抱閘線路出現(xiàn)故障而不能準(zhǔn)確執(zhí)行功能時，操作“緊急制動”按鈕可以緊急制動;如果“緊急制動”功能也失效，則可起用“非常制動”，按下該按鈕，即可切斷接觸器線圈的控制電源，直接啟動抱閘裝置，從而達(dá)到可靠的制動。

　　總之，“卷揚(yáng)機(jī)變頻操控系統(tǒng)”具有很高的技術(shù)含量和很好的技術(shù)優(yōu)勢，這主要體現(xiàn)在：

　　2.1 實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)的軟啟動。

　　2.2 實(shí)現(xiàn)了無級平滑調(diào)速，可在靜態(tài)或動態(tài)任意調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

　　2.3運(yùn)行平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)差沖擊，延長了機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命。

　　2.4響應(yīng)迅速，控制靈活，便于實(shí)現(xiàn)集中控制和系統(tǒng)集成。

　　2.5集信號處理、運(yùn)行控制、電子制動、機(jī)械制動、安全保護(hù)為一體，提高了設(shè)備的整體功能。

　　2.6操作直觀簡便，駕馭輕松自如。

　　2.7節(jié)能率高。

　　三、系統(tǒng)的操作使用

　　卷揚(yáng)機(jī)變頻操控系統(tǒng)的操作使用十分簡單。操控臺的操作面板如圖4所示。具體操作如下：

　　3.1 合上變頻器電源開關(guān)(即R、S、T輸入進(jìn)線開關(guān))，鍵盤控制器的顯示器顯示“-HF-”，約2秒后變?yōu)椤?”。

　　3.2先將制動手柄應(yīng)拔到“關(guān)”的位置，調(diào)速手柄調(diào)到中間，即“零”位置，然后打開電鎖。

　　3.3分別按油泵、變頻器的“啟動”按鈕，顯示器顯示仍為“0”。此時“電源指示”燈、“抱閘指示”燈亮。

　　3.4給出方向信號(即正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)信號)后，按鍵盤控制器上的“運(yùn)行”鍵，同時配合操作制動手柄和調(diào)速手柄。此時，變頻器輸出由0HZ開始逐漸上升，如果輸出頻率低于F18(抱閘限頻率)的設(shè)定值，則系統(tǒng)自動抱閘運(yùn)行(即電機(jī)堵轉(zhuǎn)運(yùn)行)，制動手柄不起作用。而當(dāng)輸出頻率大于F18設(shè)定值時，“自動抱閘”裝置停止工作，制動手柄開始起作用，系統(tǒng)制動靠手動抱閘。卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行操控狀態(tài).

　　3.5升降速度的快慢由調(diào)速手柄控制。當(dāng)需要快速停車時，可將調(diào)速手柄反向扳到中間位置以下，即可停車。停車后，應(yīng)將調(diào)速手柄調(diào)回到中間位置。如果改變方向反向運(yùn)行，可反向操作調(diào)速手柄。此時無須再按“運(yùn)行”鍵。

　　3.6 當(dāng)變頻器發(fā)生“OC”(過流)、“OE”(過壓)、“OL”(過載)等保護(hù)時，變頻器關(guān)斷輸出，系統(tǒng)自動抱閘制動..此時，應(yīng)將制動手柄和調(diào)速手柄恢復(fù)到初始位置(中間位置)，然后按一下鍵盤控制器上的“復(fù)位”鍵，則顯示器由故障顯示變?yōu)椤?”;再按一下運(yùn)行鍵，此時如果故障消除，系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行，否則，繼續(xù)處于保護(hù)狀態(tài)。

　　注：初次上電時也需按一下運(yùn)行鍵才能運(yùn)行，如此設(shè)置是為了提醒操作者不要忘了將制動手柄和調(diào)速手柄復(fù)位。

　　3.7 “泄放阻尼”旋鈕置于“開”位置時，當(dāng)配重下放過程電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，制動單元有可能工作。制動單元工作時系統(tǒng)自動適度抱閘(約為完全抱閘時抱緊力的1/5)。

　　3.8本系統(tǒng)萬一出現(xiàn)異常情況，如“失控”時，可立即按下“緊急制動”按鈕或“非常制動”按鈕，或者直接關(guān)掉電鎖(也可斷掉整個系統(tǒng)總電源)，即可啟動抱閘裝置，系統(tǒng)處于“完全抱閘”狀態(tài)，從而保證人身和設(shè)備安全。

　　3.9.1 調(diào)節(jié)運(yùn)行手柄的運(yùn)行頻率：當(dāng)正向運(yùn)行推到大值而頻率不能達(dá)到50Hz時，測量此時電腦板上端子排V2、V3間電壓，將F19功能碼設(shè)為該值;當(dāng)反向運(yùn)行推到大值而頻率不能達(dá)到50Hz時，測量此時電腦板上端子排V2、V3間電壓，將F20功能碼設(shè)為該值。

　　3.9.2 F30功能碼用來選擇停車方式：即自由停車或減速停車;當(dāng)選擇減速停車時，可通過F15功能碼的設(shè)定確定減速時間。

　　3.93 F16/F17功能碼為變頻器正常工作時的加速和減速時間，通過調(diào)節(jié)這兩個參數(shù)，可調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行時頻率變化的快慢。

　　四、系統(tǒng)的使用效果

　　由于“卷揚(yáng)機(jī)變頻操控系統(tǒng)”應(yīng)用現(xiàn)代微電子控制技術(shù)和電力電子技術(shù)，采用空間電壓矢量控制方式，使交流電機(jī)調(diào)速獲得了質(zhì)的飛躍，克服了原調(diào)速方式的諸多缺點(diǎn)，通過對本項(xiàng)目的評測，節(jié)電率達(dá)45%，每年可節(jié)約電費(fèi)11.17萬元。

　　金蟾山金礦現(xiàn)有7臺卷揚(yáng)提升機(jī)，裝機(jī)容量為510Kw。若全部改為變頻操控系統(tǒng)，每年可為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益55.8萬元。如將全國礦山提升機(jī)用的串電阻調(diào)速都改用變頻調(diào)速，那么，每年僅節(jié)電一項(xiàng)就可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益上億元上百億元。

　　經(jīng)過在礦井六個多月的運(yùn)行，“卷揚(yáng)機(jī)變頻操控系統(tǒng)”顯示出自動化程度高、功能豐富、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，在全行業(yè)內(nèi)推廣該系統(tǒng)對提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、推動整個社會的科技進(jìn)步和技術(shù)水平的提高都有十分重要的意義。